Een nieuwe procedure stelt onderzoekers in staat om kleinere, sneller, en krachtigere apparaten op nanoschaal ─ en doen dat met moleculaire controle en precisie. Met behulp van een enkele laag koolstofatomen, of grafeen, nano-ingenieurs aan de Universiteit van Californië, San Diego heeft een nieuwe manier uitgevonden om nanostructuren te fabriceren die goed gedefinieerde, atomaire openingen. De resultaten van de UC San Diego Jacobs School of Engineering zijn gepubliceerd in het januarinummer van het tijdschrift Nano-letters .

Structuren met deze goed gedefinieerde, Hiaten ter grootte van een atoom zouden kunnen worden gebruikt om afzonderlijke moleculen te detecteren die verband houden met bepaalde ziekten en zouden op een dag kunnen leiden tot microprocessors die 100 keer kleiner zijn dan die in de huidige computers.

Het vermogen om extreem kleine openingen te genereren, ook wel nanogaps genoemd, is zeer wenselijk bij het fabriceren van structuren op nanoschaal, die doorgaans worden gebruikt als componenten in optische en elektronische apparaten. Door de afstand tussen elektronische circuits op een microchip te verkleinen, bijvoorbeeld, men kan meer circuits op dezelfde chip plaatsen om een ​​apparaat met meer rekenkracht te produceren.

Een team van Ph.D. studenten en niet-gegradueerde onderzoekers onder leiding van UC San Diego nano-engineering professor Darren Lipomi hebben aangetoond dat de sleutel tot het genereren van een kleinere nanogap tussen twee nanostructuren het gebruik van een grafeen-spacer is, die kan worden weggeëtst om de opening te creëren.

Grafeen is het dunste materiaal dat bekend is:het is gewoon een enkele laag koolstofatomen en meet ongeveer 0,3 nanometer (nm), dat is ongeveer 100, 000 keer dunner dan een mensenhaar. De door Lipomi's team ontwikkelde techniek overwint enkele van de beperkingen van standaard fabricagemethoden, zoals fotolithografie en elektronenstraallithografie. Ter vergelijking, de kleinste nanogaps die kunnen worden gegenereerd met behulp van de standaardmethoden zijn 10‒20 nm breed.

"Het maken van een nanogap is interessant vanuit filosofisch oogpunt, " zei Lipomi. "Hoewel de meeste inspanningen in nanotechnologie gericht zijn op het maken van materialen, we hebben in wezen niets gemaakt - maar met gecontroleerde afmetingen."

"niets" maken

De methode voor het maken van nanogaps begint met de productie van dunne films waarin een enkele laag grafeen is ingeklemd tussen twee gouden metalen platen. Eerst, grafeen wordt gekweekt op een kopersubstraat, en vervolgens gelaagd bovenop met een blad van goud metaal. Omdat grafeen beter aan goud hecht dan aan koper, de gehele enkellaagse grafeen kan eenvoudig worden verwijderd en blijft over grote oppervlakken intact. In vergelijking met andere technieken die worden gebruikt om vergelijkbare gelaagde structuren te produceren, met deze methode kan grafeen worden overgebracht naar een gouden film met minimale defecten of verontreiniging.

"Deze nieuwe methode die we in ons lab ontwikkelden, wordt metaalondersteunde exfoliatie genoemd. Dit is tot nu toe de enige manier waarop we enkellaags grafeen tussen twee metalen kunnen plaatsen en ervoor zorgen dat het geen scheuren bevat, scheuren, vouwen, of ongewenste chemische soorten, " zei Alex Zaretski, een afgestudeerde student in Lipomi's onderzoeksgroep die de techniek pionierde en de eerste auteur van de studie is. "Met metaal ondersteunde exfoliatie kan mogelijk nuttig zijn voor industrieën die grote delen grafeen gebruiken."

Zodra de goud/grafeencomposiet is gescheiden van het kopersubstraat, de nieuw blootgestelde kant van de grafeenlaag wordt ingeklemd met een andere gouden plaat om de goud:enkellaags grafeen:goud dunne film te produceren.

De films worden vervolgens in nanostructuren van 150 nm gesneden. Eindelijk, de structuren worden behandeld met zuurstofplasma om grafeen te verwijderen. Scanning-elektronenmicrofoto's van de structuren onthullen extreem kleine nanogaps tussen de goudlagen.

Nanogap-toepassingen

Een mogelijke toepassing voor deze technologie is de ultragevoelige detectie van afzonderlijke moleculen, vooral die die kenmerkend zijn voor bepaalde ziekten. Wanneer licht wordt geschenen op constructies met extreem kleine openingen, het elektromagnetische veld dat binnen de opening is opgesloten, wordt enorm versterkt. Dit versterkte elektromagnetische veld, beurtelings, verhoogt het signaal geproduceerd door een molecuul binnen de opening.

"Als er een ziektemarker binnenkomt en de kloof tussen de nanostructuren overbrugt, je zou een verandering in de lichtverstrooiing van de nanogap waarnemen die overeenkomt met het feit of de ziekte aanwezig was of niet, ' zei Lipomi.

Hoewel de in deze studie gerapporteerde techniek nanostructuren kan produceren die geschikt zijn voor optische toepassingen, het vertoont een groot nadeel voor elektronische toepassingen. Raman-spectroscopische metingen van de gouden nanostructuren laten zien dat er nog kleine hoeveelheden grafeen achterblijven tussen de goudlagen na behandeling met zuurstofplasma. Dit betekent dat tot nu toe alleen het grafeen dat in de buurt van de oppervlakken van de gouden nanostructuren is blootgesteld, kan worden verwijderd. Grafeen nog in de structuren hebben is niet wenselijk voor elektronische apparaten, die een volledige opening tussen de structuren vereisen. Het team werkt aan een oplossing voor dit probleem.

In de toekomst, het team wil ook manieren onderzoeken om de dikte van de goed gedefinieerde opening tussen de structuren te variëren door het aantal grafeenlagen te vergroten.

"Voor optische toepassingen, het zou wenselijk zijn om gaten te hebben die een beetje groter zijn dan wat we hebben gegenereerd. We wilden gewoon laten zien, in principe, de kleinst mogelijke spleetgrootte, ' zei Lipomi.